一种混合储能微电网中对频率的下垂控制方法

刘旭峰， 张继红， 吴振奎

(1.西安工业大学 电信学院，陕西 西安 710021； 2.太阳能光热与风能自治区重点实验室，内蒙古 包头 014010)

0 引 言

当今人类活动离不开稳定的电力供应，但一些偏远地区或海上孤岛由于架线成本高等原因还未联网通电。随着石化能源的不断枯竭，成本不断上涨。目前新能源如风力、光伏等和传统能源相结合的微电网系统是一个解决孤岛供电的较好方法。随着新能源技术的不断发展，近年来技术不断成熟、成本大幅下降，因此在偏远地区建立微电网系统具有很好的经济效益和环保意义[1]。

微电网是一种为特定区域提供电能的低压电力系统。因光伏、风能等自然能源的随机波动性，不能输出稳定的功率来匹配负载，这种功率不平衡会导致系统频率波动。由于电力电子装置的时间常数和惯性都比较小，使系统频率波动更加敏感。并网模式下，主网通过调节功率波动保持系统稳定，孤岛模式下对于系统频率的波动控制比较复杂，其研究变得尤为重要。

已有多种研究微电网中频率波动问题的方法，例如：增加转动惯量来提高微电网系统惯性，以稳定系统频率；在微网中加入燃气轮机[2]；利用变风速风力机来改善系统稳定性的[3]。然而这些方法的共同缺点是动态响应速度较慢[4]。

蓄电池储能系统因其能量密度大被用于调节微电网系统功率平衡，为优化蓄电池储能系统对频率波动的调节方法，文献[5]介绍了一种充电状态调节方法，文献[6]介绍了一种电池SOC检测下的系统控制方法，然而仍存在两个未能解决的问题，其一是频繁的充放电会使得电池寿命缩短，其二是蓄电池的功率密度相比较SMES小，其功率交换速度较慢，调节系统频率的响应时间会较长。已有文献研究了不同领域里SMES和蓄电池结合的混合储能系统，例如补偿铁路系统中的负载波动[7]，改善风电单元中发电质量[8]，在电动汽车中增加蓄电池寿命[9]等。在微电网中对系统频率的控制方面，SMES还未见应用。本文提出一种基于下垂控制的混合储能系统对频率波动的控制方法。

下垂控制是一种微电网中常见的控制策略，文献[10]介绍了一种在稳定约束条件下的下垂因子选取方法，用下垂控制来达到系统功率平衡。文献[11]在蓄电池储能单元中采用了下垂控制，本文将下垂控制策略用于SMES和蓄电池结合的储能系统中，以控制系统频率。

微电网中下垂因子控制系数的取值确定也是十分重要的，文献[12-14]提出一种选择下垂因子系数的方法，并验证了下垂因子系数对于系统频率的决定性影响。文献[14]提出了一种优化的下垂因子取值方法，是常系数因子。本文提出的混合储能系统中，SMES 在短时大功率波动中发挥主要作用，蓄电池在长时小功率波动中发挥主要作用，这就需要两者的下垂因子随时间变化，相互协调，所以本文提出动态下垂因子系数法。

1 系统架构

微电网系统结构如图1所示，系统处于孤岛模式，母线电压400 V,SMES和蓄电池混合储能系统通过DC/AC变换后接入交流母线，储能单元建模方法与文献[15]相同，大小数值如表1所示。

图1 微电网孤岛模式下的系统结构框图

名称数值名称数值光伏单元额定功率/kW20蓄电池最大放电电流/A30风机单元额定功率/kW40蓄电池最大能量/kWh230微燃机额定功率/kW50SMES电感/H1.5蓄电池容量/Ah60SMES最大电流/A250蓄电池组端电压/V48SMES最大功率(0.1 s内放电)/kW202

2 控制策略

2.1 混合储能系统微电网频率控制方法

电力系统中的发电功率要和用电功率匹配，任一方面的功率变化都会导致系统频率波动。在传统电力系统中，短时功率波动(从几秒到几分钟)常用转动动能(如内燃机)来补偿，假设Hi是i发电单元的惯性常数，描述系统频率与功率波动的关系方程式为：

(1)

式中：∑Hi是具有转动惯量的发电单元惯量系数的和;f0是系统设定频率;PGi是i发电单元的输出有功功率;PLi是负荷i的需求有功功率。

孤岛模式下的微电网系统，因系统惯性小，很容易由功率波动引起系统频率振荡。式(2)是含SMES和蓄电池的混合储能装置在微电网系统频率和功率的关系式，其中HHESS是混合储能系统的等效惯性常数。

(2)

本文在混合储能单元中采用下垂控制策略，故由式(2)可得：

(3)

式中：DSMES和DBATT是SMES与蓄电池组各自的下垂控制因子;ΔPSMES和ΔPBATT分别是SMES和蓄电池功率变化量。

2.2 能量存储单元的下垂控制

下垂控制对调节系统稳定性具有高效快速性，本文在混合储能系统中采用下垂控制策略控制储能单元的充放电，并提出动态下垂因子系数方法，协调控制两个储能单元的功率交换。

如图2所示，下垂控制可分为三个区间，当频率波动值小于0.015 Hz时，认为系统是稳定的。当频率值大于50.015 Hz时，储能系统开始充电吸收过剩功率;当频率值小于49.985 Hz时，储能系统开始放电补充功率。其下垂控制特性方程式为：

(4)

(5)

图2 混合储能系统下垂曲线特性

因为SMES比蓄电池的功率密度大，充放电速度快，故设计SMES在频率波动发生开始时充放电，承担短时功率波动的主要单元，蓄电池调节长时功率波动，既能发挥SMES的响应的快速性又能保护蓄电池寿命，这就需要设置两个储能单元的充放电先后时间和动态下垂控制因子系数。式(4)、式(5)可表示为式(6)、式(7)：

(6)

(7)

下垂因子系数随时间变化，其系数确定方法在下文介绍。

3 下垂因子系数的确定

下垂控制的一个优点是不同特性的控制单元可以协调参与控制系统稳定。而确定最优的下垂因子系数却是一个难点，通常存在一个下垂因子取值范围令系统稳定，本文采用文献[16]介绍的在频率控制中确定下垂因子系数的方法，确定出了稳定范围。

在本文混合储能控制系统中，SMES和蓄电池是互补控制的，下垂因子也是随着时间长短和功率关心动态变化的，系统频率和下垂因子的关系可由下式表示：

(8)

图3 SMES与蓄电池下垂因子变化

图3是两个储能单元的在下垂控制下的协调时间与下垂因子系数设置。

在0 s～1 s时SMES下垂因子系数设置为291.5，使其迅速充放电以补偿短时功率差额，维持系统频率稳定，在1 s～10 s时，下垂因子系数从291.5线性下降到82，下降斜率为23.28。蓄电池单元下垂因子是从26.3逐渐增大的，在t3时刻达到最大值36.1，在长时功率波动中起主要作用，发挥了其能量密度大的优势。这样协调互补的混合储能系统，不仅加快了频率调节的快速性，也延长了蓄电池的使用寿命。

4 仿真验证

在PSCAD/EMTDC中建立如图1所示的控制系统模型，设定系统总功率变化量如图4所示，分别仿真验证四种不同条件下系统频率的动态响应，分别为：①系统无储能系统；②只含有蓄电池的储能控制系统；③混合储能系统，下垂因子为常系数；④混合储能系统，变系数下垂因子控制系统，其各自的频率响应特性曲线如图5所示。

图4 系统功率变化曲线

图5 不同条件下的频率震荡曲线

由图5可知，在混合储能控制系统里，变系数下垂因子控制方法下频率振荡幅值最小，验证了本文所提方法的可行性和有效性。

5 结束语

本文在混合储能的孤岛微电网系统中，提出一种采用动态下垂控制因子，以控制系统频率波动为目标的控制方法。有效利用了SMES的功率密度大，在短时功率波动下快速调节功率平衡，在长时功率波动下利用蓄电池能量密度大的特点，提高了系统在控制频率波动时的快速性，同时也避免了蓄电池的频繁充放电，延长了其使用寿命。通过PSCAD/EMTDC仿真，验证了其方法的可行性和有效性。